清洁能源发电技术及市场现状研究

李欣民

（华北电力大学，北京 102206）

清洁能源发电技术及市场现状研究

李欣民

（华北电力大学，北京 102206）

随着环境污染和能源紧缺的现象日益严重，世界各地越来越重视清洁能源的发展，尤其风电、光电、水电发展近几年来十分迅速。主要从清洁能源发电技术特点和国内外市场发展现状2个角度，研究国内外清洁能源发展动态，分别对风能发电、太阳能发电、水力发电3种类别的清洁能源发电进行总结与分析。

清洁能源；发电技术；发展现状

随着风能、太阳能等发电技术的快速发展，以新能源技术和信息技术的深入融合为特征的新型能源利用体系，即能源互联网开始成为解决能源问题和环境问题的重要途径之一。全球能源互联网的实质是“特高压电网+智能电网+清洁能源”，其中加快清洁能源的发展与利用是其发展的根本。从世界范围来看，近几年，清洁能源尤其风电、光电、水电发展迅速，带动国内新能源整体行业进入高速发展时期，越来越多的人们也将关注点转向清洁能源发电市场。本文从清洁能源发电技术和市场现状2个角度，通过对国内外发展动态的研究，分别对风能发电、太阳能发电、水能发电3种清洁能源发电的国内外现状进行了详细总结与分析。

1 风能发电技术及市场现状研究

1.1 风力发电的特点

风力发电是利用风能来发电，风力发电机组由2部分组成，一是为发电提供原动力的风力机，即风轮机；二是将其转换为电能的发电机。桨叶在气流作用下产生动力，将风能转换为机械能，再通过发动机将机械能转化为电能。风力发电的效率与发电地点的风速关系极大，明显呈正比关系，有时候风速增加1倍，输出功率可以提高8倍。目前风力发电分为2种方式，分别是离网型小型分散风力发电装置和并网型大型风力发电装置，前者功率小，风速适应范围广，适合家庭和边远地区小型用电负荷，通常需要配置蓄电池；后者是风力发电规模化利用的主要方式，最大功率已达到6 MW。

1.2 国内风电市场发展情况

我国风能资源丰富，近几年国内风电发展极为迅速，尤其以内蒙古、甘肃、新疆这些自然资源条件十分突出的地域为代表，发展居国内前列。2015年，中国风电装机量再创新高，全国（除台湾地区外）新增风电机组16 740台，新增装机容量30.753 GW，同比增长32.6%；累计安装风电机组92 981台，累计装机容量145.362 GW，同比增长26.8%。由于西北风能资源相较于其他地区丰富，因此在西北地区风电总装机容量在全国最大。我国海上风电建设起步较晚但发展迅速，截止到2015年，海上风电新增装机100台，容量达到360.5 MW，同比增长58.4%。其中，潮间带装机58台，容量181.5 MW，占海上风电新增装机总量的50.35%；其余49.65%为近海项目，装机42台，容量179 MW。

近年来，全国风电发电量快速增长，2014年，风电发电量达到1 534亿kWh，占全部发电量的2.8%，超过核电成为我国第三大电源。在2014年电源工程投资中，水电、风电投资规模分别为960亿元、993亿元，清洁能源投资所占比重已经超过70%，2014年，风电投资规模首度超越火电（数据来源：《2015年中国可再生能源产业报告》）。

1.3 世界风电市场发展情况

据初步统计，2015年世界新增装机容量63.69GW，全世界的风电装机容量已达435 GW，以每年16%～17%的速度增长，风电总装机容量前3位的国家分别是中国、美国、德国，2015年风电装机容量前10位的国家如表1所示。

表1 2015年风电装机容量前10位的国家

2015年，全球海上风电取得长足发展，新增装机容量接近3.4 GW，总装机容量突破12 GW。其中，欧洲市场的发展最为迅速，新增总装机容量中超过91%的装机容量都普遍来源于欧洲市场。此外中国、日本和韩国等组成的亚洲市场承担了其余9%中的绝大部分。中国是除欧洲以外最大的海上风电市场，英国则是全球最大的海上风电市场，超过全球总装机容量的40%。英国海上风电发展迅速的原因，一方面是因为英国四面临海，拥有近11 500 km的海岸线，海上风资源极为丰富，另一方面是由于英国工业基础好，拥有较为完备的海上风电供应链体系，可以更好地配合和支撑英国海上风电的发展。英国短期目标为至2020年完成9 GW装机容量，即每年最少要新增800 MW的装机容量。

与陆上风电相比，成本更高和吊装复杂是海上风电发展面临的一大障碍，因此如何降低成本成为海上风电发展的关键。有研究表明，随着技术的发展，预计未来数年海上风电成本会一直保持下降趋势。

2 太阳能发电技术及市场现状研究

2.1 太阳能发电技术特点

太阳能发电从技术上可分为2类，即太阳能光伏发电和太阳能热发电。光伏发电系统分为并网型和非并网型。就发电站而言，非并网型电站，主要用于偏远的缺电地区，需要蓄电池蓄电，使用极不经济。并网光伏发电系统是指太阳能电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入公共电网。太阳能电池是太阳能光伏发电中最核心的组件之一，当前应用于商业电站的太阳能电池分为晶硅电池和薄膜电池。晶硅电池分为单晶硅和多晶硅电池，薄膜电池分为硅基薄膜电池、CdTe电池和CIGS电池。当前商业应用的薄膜电池转化效率较低，硅基薄膜电池为5～8%，CdTe电池为11%，CIGS电池为10%。电池组件的布置方式分为固定式和追踪式，目前国内采用的大部分为固定式，国外（如西班牙）采用追踪式的较多。根据追踪式的型式不同，追踪式与固定式相比年发电量提高15%～30%，但追踪式投资成本高，且目前国内还没有运行很可靠的追踪设备。

光热发电主要是利用太阳能，首先将其集聚，通过传热将太阳能转化为热能，然后通过热力循环做功实现电能转换。根据聚光方式的不同，光热发电技术主要分为塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔式。槽式和塔式光热电站目前均已实现了大规模商业化运行，而碟式及线性菲涅尔式则分别处于系统示范阶段。光热发电原理示意图如图1所示。表2为光伏发电和光热发电的对比分析。

图1 光热发电原理示意图

表2 光伏发电和光热发电的对比分析

2.2 国内太阳能发电市场发展情况

截至2015年底，我国光伏发电累计装机容量43.18 GW，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。其中，光伏电站37.12 GW，分布式6.06 GW，年发电量392亿kWh。2015年新增装机容量15.13 GW，占全球新增装机容量的1/4以上。

我国具有良好的太阳能利用条件。光热发电装机容量总潜力16 000 GW，接近目前全国发电装机总量的2倍。但与成熟的光伏发电技术相比，我国光热发电起步较晚，依然处于技术不断创新与改进的阶段。截至2015年8月，国内光热发电累计装机超过20 MW，包括中国科学院电工所在北京延庆的1 MW试验项目、浙大中控10 MW项目以及华能和龙腾等项目。而且目前全国正在建设、规划中和在开发的大型商业化光热发电项目的数量已近40个左右，可以看到光热发电在国内已经进入高速发展时期。在国内已装机的光热发电系统中，除中控德令哈50 MW太阳能热发电一期10 MW光热发电项目顺利并网发电外，其他项目均为示范试验性质的项目，并未达到并网发电的标准，所以光热发电仍有很大的发展空间。

2.3 世界太阳能发电市场发展情况

根据国际能源署光伏电力系统项目（IEAPVPS）的相关统计数据，截止到2015年末，全球光伏累计装机量已达227 GW，新增装机容量超过50 GW，同比增长16.3%，2008年—2015年全球光伏新增装机容量如图2所示［数据来源：IEA（International Energy Agency-国际能源署）http：//www.iea.org/bookshop/728-Renewables_Information_2016］。其中中国、日本、美国、英国、印度成为新增装机容量最多的前五大国家，2015年占全球新增装机的80%。从光伏产业规模的角度也可以看出，近几年世界光伏发展迅猛，2015年全球多晶硅产量持续上升，总产量达到近34万t，同比增长12.6%；太阳能光伏组件产量约60 GW，同比增长15.4%。

图2 2008年—2015年全球光伏新增装机容量

对于光热发电市场来说，从2004年起全球光热发电市场近年来进入高速发展期，特别是从2008年至2013年的5年期间，全球光热发电装机容量的年均增长率接近50%。从世界范围来说，西班牙和美国的光热发电最为迅速，2个国家装机容量之和达到全球光热总装机容量的90%，其中，西班牙光热发电装机总容量达2 362 MW，占比48%；美国光热发电装机总容量达到1 720 MW，占比37%。

3 水力发电技术及市场现状研究

3.1 水力发电技术特点

水力发电是利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流运至低处，将其中的势能利用水轮机转换为动能，以水轮机作为原动力，推动发电机产生电能，再经由变电、输配电设备将电力送至用户。按照水源的性质，水电站分为常规水电站和抽水蓄能电站。常规水电站是最普遍的一种水电站，直接利用河流等日常发电，分枯水期和丰水期；而抽水蓄能电站是一种利用电力负荷低谷时抽水至上游水库，在电力负荷紧张时期再放水至下游水库发电的水电站，由于抽水蓄能电站的自身特点，因此多将其作为调频、备用的主要手段之一，是我国事故备用等辅助服务的主要电源之一，有利于提高系统的稳定性，具有重要价值。

3.2 国内水力发电技术市场发展情况

2014年底，我国水电装机容量已突破30 GW，居世界第一，约占全球水电装机总量的1/4，近几年，无论从累计装机总量还是新增装机容量来看，水电一直持续增长，并在世界中居于前列。图3为2008—2015年中国水电累计装机容量。除了火电，水电是我国第二大电源，而且水电发电总量占非化石能源发电总量的近75%，是我国清洁能源发电的主力军。水电在我国发展已有一段时间，相比较于其他清洁能源，水电在我国属于最成熟的清洁发电技术。

图3 2008年—2015年中国水电累计装机容量

以电量计，我国可开发的水电资源约占世界总量的15%，虽然我国水电资源丰富，但资源地理分布不均。从区域来看，我国水电主要集中在经济发展相对滞后的西部地区。不过正因为水电资源分布集中，可以借助地理位置发挥水电的规模效益，为规模外送提供有利条件。未来，我国将继续加大力度发展水电资源，重点开发西南地区水电资源，为“西电东送”打好坚实基础，并且进一步加快抽水蓄能电站建设，为电网调峰和可再生能源大规模发展提供重要支撑。

3.3 世界水电市场发展情况

根据国际水电协会发布的数据显示，世界16%的电力是由水电提供。2015年，全球新增投产的水电装机容量达到33 GW，其中包括3.2 GW抽水蓄能容量。大部分的新增容量都集中在发展中国家，图4为2015年全球水电新增装机容量地区分布［数据来源：IHA(世界水能协会)，2016 Hydropower Status Report］，其中2015年中国新增水力发电容量约为19.4 GW，占世界总量的56%，其次分别是巴西和土耳其。

图4 2015年全球水电新增装机容量地区分布

随着世界范围内的可再生能源的发展，储能和可再生能源必须紧密结合才能发挥最大效益。水电在这方面发挥着独特而强大的作用，水电站水库（包括抽水蓄能）用于多种时长（从几分钟到几年）的储能。从目前来看，水电为世界电网系统提供99%的电力蓄能。事实上，利用可再生资源的相互协调来达到协同优化的作用的相关案例已经越来越多。例如：西班牙附近的一个岛屿，将风能和水能相结合，风力发电站主要提供电力供应，另外准备了一个抽水蓄能系统作为备用，形成了一个可再生能源发电系统。在我国也有这样的例子，我国西北部的龙羊峡水光互补光伏电站，该水电站采用了反应迅速的涡轮机，能平衡云层和时间变化引起的太阳光自然变化所导致的光电功率变化。通过平整功率曲线，水光混合并网可实现利用间歇性能量源向电网提供高质量、安全可靠的电能。因此，水电在快速发展的可再生能源中有着重要的地位，不仅承担清洁能源取代化石能源的作用，还具有一定的能源储存价值，为系统运行提供备用和调频。

4 生物质发电技术及市场现状研究

我国的生物质发电起步较晚，2006—2013年，我国生物质及垃圾发电装机容量逐年增加，由2006年的4.8 GW增加至2012年的9.8 GW，年均复合增长率达9.33%，步入快速发展期。

截至2015年底，我国生物质发电并网装机总容量为1 031万kW，其中，农林生物质直燃发电并网装机容量约530万kW，垃圾焚烧发电并网装机容量约为468万kW，两者占比在97%以上，还有少量沼气发电、污泥发电和生物质气化发电项目。我国的生物发电总装机容量已位居世界第二位，仅次于美国。

从全球范围来看，生物质发电仍然处于快速发展的阶段。2013年全球生物质新增装机量5.5 GW，累计装机规模达到76.4 GW。在欧美等发达国家，生物质发电已形成非常成熟的产业，成为一些国家重要的发电和供热方式，美国能源部预测，到2025年前，可再生能源中生物质发电将占主导地位。

5 结束语

随着全球能源互联网和特高压建设的逐步发展，清洁能源将迎来高速发展时期，未来将逐步取代化石能源成为社会的主要能源。但我国清洁能源发展还主要面临以下问题：①由于地理因素制约，我国清洁能源资源分布式不均，区域性需求与供给严重不均衡；②传统化石能源发电供给剩余，造成严重的弃风弃光现象；③清洁能源发电技术仍普遍偏高，发电稳定性不高。

面对我国的清洁能源发展面临的问题，未来我国首先应从全局的角度合理规划清洁能源基地，对资源丰富的地区尤其要注意进行电能替代的推广，方便清洁能源的就地消纳。同时加强各类清洁能源、储能设备和传统化石能源之间的协调调度，形成相互补充、相互连接的网络结构，进而提高清洁能源供电稳定性与可靠性。最后，从成本的角度来说，降低造价成本，进而降低发电成本，对清洁能源推广起着重要作用。因此，我国在推广清洁能源的同时，更应该加强清洁能源技术的相关研究，提高发电效率。

［1］ 刘开俊.能源互联网发展路径探究［J］.电力建设，2015，36（10）：5-10．

［2］ 廖开强，董建康.太阳能发电技术及其设计特点［J］.山东电力高等专科学校学报，2011，14（5）：27-30．

［3］ 孔慧，熊胜虎.全球光伏产业发展现状及发展趋势分析［J］.太阳能，2009（6）：10-12.

［4］ 刘振亚.全球能源互联网［M］.北京：中国电力出版社，2015.

Thestudy of clean power energy generation technology and market development status

LIXin-min
（North China Electric Power University,Beijing 102206,China）

With the increasingly serious environmental pollution and energy shortage,the development of clean power energy is increasing all over the world in recent years,especially the rapid development of wind power,photovoltaic power and hydropower.This paper mainly summarizes and analyses wind power,solar power and hydro power generation from two aspects of technology characteristicsof clean energy generation and world market development status.

clean power energy;power generation technology;development status

F407.61；TK018

C

1009-1831（2017）06-0029-04

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.06.007

2017-07-28；

2017-09-29